可持續(xù)能源轉(zhuǎn)化和存儲(chǔ)裝置在現(xiàn)代能源系統(tǒng)中發(fā)揮著越來越重要的作用。作為其典型代表，燃料電池，水電解池，以及金屬空氣電池得到了廣泛的關(guān)注。開發(fā)用于其電極反應(yīng)（氧還原反應(yīng)（ORR）， 氧氧化反應(yīng)（OER）, 氫生成反應(yīng)（HER）的高效電催化劑是提升能源轉(zhuǎn)化效率的關(guān)鍵。碳基電催化劑具有來源廣泛，結(jié)構(gòu)可調(diào)，高電導(dǎo)率，以及環(huán)境兼容等優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛研究用于ORR/OER/ HER催化以及上述可持續(xù)能源裝置當(dāng)中。由于科研人員的集體努力，近年來對(duì)碳基催化劑的理解和開發(fā)取得了很大的進(jìn)展。▲ 圖2. 近年來碳基材料用于催化ORR/OER/HER的研究文獻(xiàn)數(shù)量。
近日香港科技大學(xué)王健博士，F(xiàn)rancesco CIUCCI教授協(xié)同中科院工程熱物理研究所，西安交通大學(xué)，南京工業(yè)大學(xué)多家合作單位系統(tǒng)綜述了碳基催化劑用于可持續(xù)能源轉(zhuǎn)化的最新（2015-2020年）進(jìn)展，涵蓋多種碳材料系統(tǒng)，以及其合成方法，性能調(diào)控策略，催化機(jī)理和性能分析。相關(guān)成果以“Carbon-based Electrocatalysts for Sustainable Energy Applications”為題發(fā)表在材料學(xué)國際頂級(jí)期刊Progress in Materials Science (IF = 31.56) 上。文章首先介紹了ORR/OER/HER催化的基礎(chǔ)知識(shí)，包括反應(yīng)基元步驟和性能評(píng)價(jià)指標(biāo)。接著詳細(xì)地闡述了目前常用的碳基催化劑的合成方法，包擴(kuò)熱解法，水熱法，化學(xué)沉積法，球磨法，電弧放電法，涵蓋每種制備方法的詳細(xì)過程，影響因素以及優(yōu)缺點(diǎn)分析。此外，使用兩種特殊前驅(qū)體（生物質(zhì) （biomass）和金屬有機(jī)框架 (MOFs)）來制備碳基催化劑得到了詳細(xì)的介紹。▲圖3. 酸性以及堿性溶液中ORR/OER/HER催化的基元步驟。
▲圖4.合成碳材料的常見方法示意圖：熱解，水熱，化學(xué)沉積，和球磨。
文章進(jìn)而詳盡地綜述了4大類12小點(diǎn)方法來調(diào)控碳基催化劑的性能，包含異質(zhì)原子摻雜（單原子摻雜，多原子摻雜，氮摻雜的活性位點(diǎn)研究，摻雜元素的空間分布，超級(jí)摻雜）， 表面功能化，內(nèi)部缺陷以及邊緣調(diào)節(jié)，多孔結(jié)構(gòu)（外模板法，自模板法），納米形狀調(diào)控 （打破MOFs制備碳的形狀限制）。▲圖5. 調(diào)控碳基催化劑性能的一些常用方法示意圖。
由于簡(jiǎn)單無金屬碳的性能不盡人意，碳基材料經(jīng)常和其他活性物質(zhì)混合來提升性能。文章除了無金屬碳之外，也對(duì)各種碳混合物催化劑做了詳細(xì)的介紹，包括碳碳混合物，碳/C3N4 混合物，金屬修飾氮摻雜碳（M-N-C）, 碳基單原子催化劑，碳基多原子/多金屬催化劑，碳基金屬氧化物（鈣鈦礦型，尖晶石型，其他型）催化劑， 碳基碳化物，氮化物，硫化物，磷化物催化劑，以及自我支撐的碳基催化劑。▲圖6. 不同異質(zhì)原子摻雜到碳材料中的結(jié)構(gòu)。
文章對(duì)碳基材料用于ORR/OER/HER 催化以及燃料電池，水電解池，金屬空氣電池的最新進(jìn)展做了詳細(xì)的綜述，同時(shí)提供了詳細(xì)的方法用以改善碳基材料的性能。并且對(duì)目前碳基催化劑商用所面臨的挑戰(zhàn)以及前景做了分析。文章提供了一個(gè)綜合性的平臺(tái)供讀者了解學(xué)習(xí)碳基催化劑，同時(shí)啟發(fā)科研人員共同努力加速碳基催化劑應(yīng)用于可持續(xù)能源裝置當(dāng)中。Wang, J., Kong, H., Zhang, J., Hao, Y., Shao, Z., Ciucci, F., Carbon-based Electrocatalysts for Sustainable Energy Applications, Progress in Materials Science (2020), doi: https://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2020.100717
